«A-C-G-T», — тарарахнул зинзивер

Исследование Института цитологии и генетики СО РАН, Новосибирского и Санкт-Петербургского университетов и Сибирского экологического центра в очередной раз доказало, что материал для удивительных научных открытий мы видим буквально каждый день. Оказалось, что у певчих птиц (60% видов всех пернатых) в соматических клетках часть генетического материала выбрасывается! Ученые, проводившие это исследование, — Павел Бородин, профессор кафедры цитологии и генетики НГУ, гл. науч. сотр. ИЦиГ СО РАН, и его аспирантка Любовь Малиновская — рассказали о своей работе на лекции в рамках Ночи научных историй (проект Центра научных событий EUREKA! PROJECT) в клубе «Арт П. А.Б.» в новосибирском Академгородке.

Хромосома половых клеток

В 1998 году научной общественности стало известно, что у зебровой амадины (Taeniopygia guttata), птицы семейства вьюрковых ткачиков (Estrildidae), есть хромосома, которая выбрасывается в соматических клетках и половых клетках самцов, но остается в половых клетках самок. Хромосома, соответственно, передается по наследству и была названа ХПК (хромосомой половых клеток). Нельзя сказать, что это открытие наделало много шума. Такое поведение хромосом было воспринято скорее как феномен (еще одна диковинка Австралии). Но именно об этой публикации Павел Михайлович вспомнил через 15 лет, когда к нему подошла его сотрудница Анна Торгашева с рассказом об обнаруженном ею странном поведении одной из хромосом в половых клетках не у экзотического вида, а у береговых ласточек (Riparia riparia), обитающих на всех континентах: хромосома в строго определенный момент жизни выбрасывалась из соматических клеток, но оставалась в половых клетках самок.

«На самом деле видов, запрограммированно выбрасывающих ДНК, не так уж мало, — рассказывает Любовь Малиновская. — Это явление описано примерно у сотни видов. Оно встречается у совершенно разных животных: у инфузорий, червей, насекомых, ракообразных, рыб, сумчатых млекопитающих и птиц».

Более того, впервые ХПК была описана у крупного паразитического червя, лошадиной аскариды (Parascaris equorum), еще в 1887 году! Надо сказать, что в половых клетках у этого вида всего две большие хромосомы, за которыми удобно наблюдать. Именно поэтому Теодор Бовери (1862–1915) выбрал этот вид для наблюдения за развитием зиготы на ранних этапах развития организма. Но хромосомы лошадиной аскариды повели себя несколько неожиданно. В предшественнице половых клеток с хромосомами ничего необычного не происходит. В предшественнице соматических клеток хромосомы распадаются на множество маленьких кусочков, часть из которых затем выбрасывается. Оставшаяся ДНК формирует 70–72 маленькие хромосомы (вот вам и легкость наблюдения). Позже похожие механизмы были обнаружены и у других аскарид: 15–20% генома выбрасывается на ранних этапах развития соматических клеток. Совсем недавно китайские и американские ученые расшифровали «выброшенный» геном у четырех видов аскарид. Бóльшая часть пришлась на повторенные последовательности. Но кроме этого среди выброшенного материала исследователи нашли 1–2 тыс. генов (5–10% от всех имеющихся у аскарид генов). Секрет в том, что эти гены «работают» на ранних этапах развития организма, а значит, взрослым соматическим клеткам они не нужны.

В 2009 году ХПК была обнаружена у миног. Оказалось, что количество ДНК в половых и соматических клетках морской миноги (Petromyzon marinus) различается на 20%. Некоторые хромосомы при образовании дочерних клеток не расходятся к полюсам, а остаются в цитоплазме и уже в дочерних клетках растворяются. Более того, если у аскарид это процесс единовременный, то у морской миноги постепенный — при каждом новом делении убирается новый кусочек ДНК. Выбрасываются ли у миног целые хромосомы или их фрагменты, пока неизвестно: наблюдать за ними чрезвычайно сложно. Ведь в половой клетке миноги содержится 198 хромосом, в соматической — 172. Но ученые знают, что 90% выброшенного материала — повторы и лишь 10% приходится на уникальные гены. Выяснить, за что отвечают выбрасываемые уникальные гены у миноги, пока не удалось. Но удалось обнаружить аналогичные гены у мыши в стволовых клетках. Считается, что именно эти гены позволяют стволовым клеткам мыши много раз делиться, оставаясь «здоровыми и красивыми».

Затейливый механизм

Новым витком в изучении ХПК стали исследования российских генетиков (наших докладчиков и их коллег). Они обнаружили, что у двух видов ласточек часть генетической информации выбрасывается точно так же, как у зебровой амадины и ее близкой родственницы — японской амадины (Lonchura domestica). Последнее было описано в 2014 году.

«Наличие одного и того же механизма у двух неродственных видов может иметь только два объяснения: либо механизм возникал дважды в ходе эволюции и это просто совпадение, либо он возник у общего предка около 35 млн лет назад. В последнем случае аналогичный механизм выбрасывания ДНК должен быть и у других птиц», — объясняет логику дальнейших исследований Любовь Малиновская.

Исследователи изучили хромосомы 16 видов подотряда певчих птиц из девяти семейств отряда воробьинообразных (Passeriformes), в частности ласточек, снегирей, синиц и чижей. Параллельно проверялись хромосомы 10 видов птиц из пяти других отрядов: гусей, кур, крачек, попугаев, соколов и т. д. У птиц последней группы дополнительной хромосомы не было. А у всех изученных певчих птиц часть ДНК выбрасывалась!

Ученые обнаружили и вторую интересную особенность, связанную с ХПК птиц. Оказалось, размеры ХПК у разных видов сильно варьируют. Если у береговой ласточки ХПК крупная, то у деревенской это микрохромосома. Речь идет не об исключении: у родственных видов могут выкидываться как микро-, так и макроХПК. «Порой эти хромосомы такие крохотные, что, если не знаешь, что ищешь, ее легко просмотреть. Из сорока пар хромосом тридцать — микроскопические. Сначала мы даже не увидели ХПК у деревенской ласточки. Ведь мы искали макрохромосому, как у амадин и у береговушки», — отмечает Любовь Малиновская.

Кроме того, оказалось, что в половых клетках самок ХПК содержится в двух экземплярах, которые ведут себя как обычная пара хромосом: выстраиваются при делении друг напротив друга, конъюгируют по длине (от лат. conjugatio — соединение; сближение гомологичных хромосом) и рекомбинируют (обмениваются участками). Правда, рекомбинируют лишь на концах хромосом. У самцов же ХПК всегда выбрасывается в середине мейоза (от др.-греч. μείωσις — уменьшение; деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза). При этом до выбрасывания у некоторых самцов этих хромосом две (как у самочек), у некоторых — одна. Но на данный момент не обнаружено ни одного вида певчих птиц, у которого их не было бы вообще.

Первая ласточка в веренице публикаций

Параллельно с работой российских генетиков еще две независимые научные группы попытались разобраться, что же именно содержит ХПК амадин. Одна из групп опубликовала статью о том, что они обнаружили в ХПК зебровой амадины (Taeniopygia guttata) ген с малопонятными функциями, но, вероятно, очень древний. На основе их исследования возникло предположение, что ХПК возникла очень давно и должна быть не только у этого вида. Вторая независимая группа описала более ста белков, кодирующихся ХПК. Эти белки активно участвуют в производстве и созревании женских половых клеток.

А наши докладчики со своими коллегами выяснили, что ХПК каждого вида содержит копии небольших участков основного генома. Причем в ХПК эти копии повторяются от десятков до нескольких тысяч раз и у разных видов повторяются разные участки.

Павел Бородин приоткрыл перед слушателями и другую сторону научной работы, мало известную обывателям. «Мы открыли ХПК у ласточек в 2015 году. А наша статья вышла только в апреле 2019-го. Все эти годы я с ужасом ждал, как, открыв Google, увижу статью другой научной группы и узнаю, что они обнаружили ХПК у чижей или щеглов… Тогда вся наша работа пошла бы прахом — она бы уже не была никому нужна, — с жаром рассказывает он. — Ведь самое замечательное в нашем исследовании, что за материалом мы не ездили ни в Австралию, ни в какие-то потаенные уголки нашей планеты — эти птицы тут, рядом! И до нас никто просто не описал этого удивительного явления».

И вот выходит статья американских исследователей под названием «Открытие первого гена ХПК зебровой амадины путем вычитательного анализа транскриптома» [1]. Она завершалась примечательной для наших докладчиков фразой о том, что ХПК амадины возникла очень давно и должна быть не только у нее. Публикация стала своеобразным аналогом письма Уоллеса. (Дарвин уже заканчивал написание рукописи о происхождении видов, работа над которой продолжалась около 10 лет, когда в 1858 году до него дошло письмо от натуралиста Альфреда Рассела Уолесса с подробным описанием эволюционных механизмов теории происхождения видов, то есть всей той теории, над которой Дарвин работал 10 лет!) Она подстегнула работу научной группы. Через месяц они отправили уже готовую статью в тот же самый журнал Current Biology. Ответ редакции был не самым позитивным: «Мы ценим интерес к теме, затронутой в Вашей статье, но полагаем, что на данной стадии работы отчет о Ваших исследованиях будет лучше подходить для публикации в более специализированном журнале, чем Current Biology».

Но исследователи уже рассекретили свою работу: о ней знали и редакция, и рецензенты. Тогда статья была немедленно выложена на сайт bioRχiv.org, чтобы обозначить результаты. Параллельно с этим статья была отправлена в Nature. «Мы продержались в редакции 16 дней, что на самом деле своеобразный рекорд. Большинство статей получают отказ дня через два-три», — делится со слушателями Бородин. Зато через месяц на bioRχiv.org появилась статья под названием «Запрограммированная элиминация ДНК генов, участвующих в развитии клеток зародышевой линии у певчих птиц» [2]. Ее авторы провели колоссальную работу по анализу ХПК зебровой амадины и обнаружили более ста белков, которые она кодирует. Эти белки активно участвуют в производстве и созревании женских половых клеток.

В июне 2019 года, ровно через четыре года после «первой ласточки», статью наших героев опубликовал один из ведущих международных мультидисциплинарных журналов — Proceedings of the National Academy of Sciences [3].

Мозговой штурм

По признанию Павла Бородина, открытие ХПК — это только начало увлекательного исследования. Ведь потом возникает масса вопросов. Почему ХПК выбрасывается из сперматозоида, чем она там мешает? Что за информация содержится в этой хромосоме? Когда работают содержащиеся в ней гены? Почему она в одних видах большая, а в других маленькая? Что выступает триггером, запускающим механизм выбрасывания?

«Для мозгового штурма в поиске ответов я решил задействовать административный ресурс — привлек студентов третьего курса. Я дал им задание прочитать статью, подумать, почему ХПК выбрасывается из сперматозоида и как можно экспериментально проверить их гипотезы. В результате у меня уже есть штук сорок интересных идей и еще около двадцати должны прийти до экзамена», — рассказывает Бородин, профессор Новосибирского университета.

Наши собеседники с юмором отнеслись к освещению своей работы журналистами. «В прессе встречались статьи о том, что мы нашли ген, который делает самку самкой, или сообщалось, что теперь известно, почему певчие птицы поют». Но еще больше повеселили ученых комментарии читателей. Так, один из читателей был очень удивлен, что не все птицы поют; а другой предположил, что птицы поют, чтобы охладить семенники и яичники, которые нагреваются из-за лишней хромосомы.

Юлия Черная